Selección de materiales: álabes para turbinas de aviones.

Una de las etapas fundamentales del diseño de un producto es la selección de materiales para su fabricación. En esta fase, se deben considerar los requisitos que debe satisfacer el material, y seleccionarlo en base a sus propiedades, siendo consciente de sus limitaciones y teniendo en cuenta el entorno de operación.

Una mala elección de materiales puede suponer costes económicos, retrasos en la entrega del producto final, problemas de funcionamiento, y, en el peor de los casos, la pérdida de vidas humanas.

Rotura en aleación Cu-Ni

Sería inconcebible para un ingeniero conocer la totalidad de materiales existentes y sus propiedades específicas, aunque sí es conveniente conocer las propiedades generales que caracterizan a un material y qué efectos producen.

De entre los diversos métodos existentes para la selección de materiales (recomendaciones, mapas de materiales, fuentes bibliográficas…) será objeto de esta exposición el que se basa en la búsqueda en base de datos mediante software. En particular, se hará uso del conocido software de selección de materiales, CES Selector, más concretamente en su versión CES Edupack 2013.

Con este método podremos evaluar cuantas propiedades queramos considerar, y hacer una selección de materiales en base a los parámetros que definamos previamente.

Para este ejemplo, nos apoyaremos en un caso hipotético: seleccionar un material para la construcción de los álabes de una turbina destinada al montaje de motores para su uso en grandes aviones.

Álabes de una turbina

Debemos conocer las propiedades o requerimientos que deben cumplir estos álabes, y formularlos posteriormente de forma adecuada para seleccionar el material que mejor se adapte a esta aplicación.

Estos álabes deben tener suficiente módulo de Young, límite elástico y tenacidad a la fractura. Además tienen que resistir la fatiga (causada por cargas alternativas a gran velocidad y de forma cíclica).

Debemos tener en cuenta el entorno donde va a operar el material. Debe tener una alta resistencia al desgaste superficial, pues se verá afectado por las pequeñas colisiones con gotas de agua, colisiones con pájaros u otros objetos… También tenemos que considerar que el material puede verse afectado por agua salina en entornos marinos, por lo que debe tener una alta resistencia a la corrosión.

Además de las propiedades mecánicas, es necesario contemplar las propiedades térmicas y otras propiedades relacionadas con la temperatura del entorno. Los álabes de la zona más caliente al motor deben soportar temperaturas de más de 950 ºC, por lo que será necesario que tengan una alta temperatura máxima de servicio, además de una buena resistencia a la termofluencia y a la oxidación.

Por último, es importante tener en cuenta que si los motores son muy pesados el avión deberá llevar menos carga, por lo que es fundamental escoger un material con un densidad baja.

Una vez definidos todos los requisitos y formuladas las distintas características o propiedades que debe tener el material que seleccionaremos, procedemos a la selección del material más adecuado de entre todos los que han superado las distintas etapas propuestas.

Los gráficos anteriores corresponden a cada una de las etapas definidas. Si seleccionamos todas las etapas que hemos propuesto (como si superpusiéramos las gráficas), podemos observar que hay tres materiales que cumplen con todas las especificaciones.

Las tres son aleaciones de base níquel, muy utilizadas en el campo de aplicaciones aeroespacial. Si las analizamos una por una, podemos comprobar que la primera (Nickel-Co-Cr alloy, MAR-M 432) es específicamente usada para los álabes de las turbinas de aviones.

Detalle de la primera aleación, especificando su uso en turbinas

Queda pues comprobada la enorme utilidad de este tipo de programas para seleccionar los materiales adecuados en el diseño de nuestros productos. Debemos ser coscientes de la enorme importancia de esta etapa del diseño y de las graves consecuencias de una mala selección de materiales.

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Fuente propia. Imágenes del programa propias.
Programa: CES EduPack 2013